Automatique Linéaire 1 – Travaux Dirigés

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Automatique Linéaire 1 – Travaux Dirigés
1A ISMIN
Travaux dirigés, Automatique linéaire 1 – J.M. Dutertre – 2016
Travaux Dirigés, Automatique Linéaire 1
1A ISMIN
TD 1 – Introduction, modélisation, outils.
Exercice 1.1 :
Calcul de la réponse d’un 2nd ordre à une rampe
On considère un système régi par l’équation différentielle :
Calculer la réponse de ce système à une rampe d’entrée e(t) = t.
Exercice 1.2 : Asservissement de température d’un four (1er ordre) de
type proportionnelle dérivée.
On considère l’asservissement de température du système constitué d’un four et d’un capteur
de température associé, représenté figure suivante :
Avec :
θc(t)
tension de consigne [V]
Elle représente la température de consigne désirée pour le four (par
rapport à la température ambiante).
θ(t)
tension de mesure [V]
C’est la tension image de la température intérieure du four délivrée par
le capteur (exprimée par rapport à la température ambiante).
p(t)
puissance électrique délivrée au four [W].
ε(t)
erreur entre la consigne et la mesure [V].
La loi de commande est telle que :
Eq. 1
Avec
Kc
gain statique
τd
constante de dérivation
Et les équations de fonctionnement du système conduisent à :
www.emse.fr/~dutertre/enseignement.html - 2016
2
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Eq. 2
Avec
τ
K
constante de temps du système
gain statique du système
1. Exprimer l’équation différentielle liant θc(t) et θ (t).
2. Donner la transformée de Laplace de l’équation différentielle trouvée au 1.
(à t = 0 on a θ (0) = 0)
La mettre sous la forme Θ(p) = G(p). Θc(p)
3. On considère une consigne de la forme : θc(t) = A0.Γ(t) A0 constante réelle.
Quelles sont alors les valeurs initiales θ(0+) et finale θ(+∞) de θ(t) ? Conclusions ?
4. Exprimer P(p) en fonction de Θc(p).
En déduire les valeurs initiale et finale de la commande p(t) pour θc(t) = A0.Γ(t).
Conclusion ?
5. On considère τd = τ = 60 s, K = 0,01 V/W, et A0 = 7.
Tracer sur un même graphe : θc(t), θ (t), et p(t) pour Kc = 100. Commentaire ?
Exercice 1.3 : Asservissement du 2nd ordre.
Un processus physique est modélisé par une fonction de transfert du 2nd ordre :
Ce processus est inséré dans une boucle d’asservissement contenant un régulateur
proportionnel : C(p) = K.
1. a. Déterminer l’expression de la fonction de transfert en boucle fermée :
H(p) = S(p)/E(p) et la mettre sous la forme canonique :
En déduire les expressions des paramètres de H(p) :
H0 gain statique
m coefficient d’amortissement
ω0 pulsation propre non amortie
En fonction de τ1, τ2, G0, et K.
3
1A ISMIN
b. Calculer la valeur de K pour obtenir m = 0,7.
2. Dans la suite de l’exercice, la consigne est un échelon unitaire et K est réglé tel que
m = 0,7.
a. On se place en régime permanent, déterminer l’expression de s(+∞) et calculer sa
valeur.
b. Exprimer ε0(+∞) = e(+∞) - s(+∞), la calculer.
c. Calculer la valeur du tr5% .
d. Représenter l’allure de s(t).
3. Pour diminuer l’erreur de position, on augmente la valeur de K.
a. Calculer la valeur de K permettant d’obtenir ε0(+∞) = 0,05 V.
b. En déduire la nouvelle valeur du coefficient d’amortissement m.
c. Calculer l’amplitude relative (en %) du premier dépassement D1.
d. Calculer la nouvelle valeur du tr5% .
e. Représenter l’allure de s(t).
f. Calculer u(0+). Sachant que cette grandeur de commande est maximale à l’instant t = 0+
, en déduire la dynamique nécessaire à la sortie du correcteur pour que l’asservissement
fonctionne toujours en régime linéaire.
4
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TD 2 – Stabilité des systèmes asservis.
Exercice 2.1 :
Stabilité d’un système du 3ème ordre (Routh)
On considère un système de F.T.B.O. :
Déterminer à l’aide du critère de Routh les conditions de stabilité de ce système en boucle
fermée lorsqu’il est placé dans une boucle d’asservissement à retour unitaire.
Exercice 2.2 :
Réglage d’un système avec deux conditions de stabilité
On considère un système de fonction de transfert en boucle ouverte :
Déterminer les conditions sur K de manière à ce que le système soit caractérisé par une marge
de phase supérieure à 45° et par une marge de gain supérieure à 6 dB.
Exercice 2.3 : Mise en évidence des marges sur les diagrammes de Bode
Déterminer la valeur de K qui assure au système une marge de gain égale à 6 dB. Calculer la
marge de phase pour cette valeur de K.
Tracer les diagrammes de Bode du système en boucle ouverte en y faisant apparaître ces
marges.
Exercice 2.4 :
Nyquist
1. Tracer son diagramme de Nyquist (le tracé préalable d’un diagramme de Bode est une
aide).
2. Etudier sa stabilité.
5
Exercice 2.5 :
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Nyquist
K gain positif réglable
1. Tracer le diagramme de Bode asymptotique de la B.O. pour le cas particulier τ1 = 1 s,
τ2 = 0,1 s, τ3 =0,01 s, et K = 1.
2. Chercher la pulsation ω non nulle pour laquelle ΦBO(ω ) = -180°. A quelle condition
sur τ1, τ2, et τ3 existe-t-elle ?
3. Tracer l’allure du lieu de Nyquist de la boucle ouverte selon que cette condition est
réalisée ou non.
4. En déduire les conditions de stabilité en boucle fermée pour les valeurs particulières
des constantes de temps données au 1. Retrouver ces conditions à l’aide du critère du
revers.
5. Etablir les conditions de stabilité à l’aide du critère de Routh (sur les constantes de
temps et sur K).
π
Exercice 2.6 :
π
Nyquist
K gain positif réglable
1. Tracer le diagramme de Bode asymptotique de la boucle ouverte.
2. Tracer l’allure du lieu de Nyquist de la boucle ouverte.
3. En déduire les conditions de stabilité en boucle fermée. Quel serait le résultat par
application du critère du revers ? Conclusion ?
Exercice 2.7 :
Nyquist
1. Tracer son diagramme de Bode asymptotique (module et phase).
2. En déduire son diagramme de Nyquist. Vous démontrerez l’existence d’une asymptote
à la courbe de Nyquist lorsque ω ® 0.
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TD 3 – Correction des systèmes asservis.
Exercice 3.1 :
Correction à avance de phase.
La fonction de transfert en boucle ouverte d’un système asservi s’écrit :
C réel et positif
1. Tracer le diagramme de Bode asymptotique de T(p) (gain et phase) pour C = 1, et
préciser les points remarquables.
2. Le système est à retour unitaire. Calculer C = Cmax qui rend le système instable en
boucle fermée.
3. Retrouver Cmax en appliquant le critère de Routh.
4. Calculer C = C0 qui assure une marge de phase de 45°.
5. Pour une entrée indicielle d’amplitude Xc, expliciter la transformée de Laplace de la
sortie Y(p) du système bouclé. En déduire la valeur de y(+∞).
6. Calculer l’erreur de traînage du système bouclé pour une entrée en rampe :
xc(t) = Xc.t (∀t>0).
7. On désire améliorer le comportement du système à l’aide d’un correcteur qui présente
la fonction de transfert suivante :
Tracer le diagramme de Bode de C(p) pour un comportement dit à avance de phase.
On posera : k = α/β.
8. Donner la valeur de α permettant de corriger intégralement le pôle dominant. On
impose le déphasage maximal apporté par le correcteur : ϕmax = 45°. Et, on veut
obtenir au final après correction une marge de phase de 45°. Calculer les valeurs
de α, β, et C = C0c permettant de remplir ces conditions.
9. Tracer dans le plan de Black les fonctions de transfert en boucle ouverte du système
corrigé et non corrigé à partir des valeurs données dans le tableau suivant (elles
correspondent au cas C = C0) :
ω (rad/s)
1
2
5
10 17,5
30
50
⏐T(jω)⏐dB
16,3 9,9
0,22 -9,3 -18,4 -28,3 -38
Arg(T(jω))
-100 -110 -134 -160 -180 -199 -218
⏐C(jω).T(jω)⏐dB 16,4 10,3
2,3
-4
-9,8 -16,7 -25
Arg(C(jω).T(jω)) -93 -95,4 -103,4 -116 -134 -160 -189
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Retrouver la valeur de C0c à l’aide du diagramme.
10. Quelle est la fréquence de résonance du système corrigé (pour C = C0c) en boucle
fermée? Dessiner l’allure approchée du module de la F.T.B.F. en dB (1er diagramme
de Bode). Quel sont sa bande passante à -3 dB, et son temps de réponse à 5% ?
Comparer ces valeurs à celles obtenues sans correction (C = C0).
8
Exercice 3.2 :
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Asservissement de fréquence d’un laser Hélium-Néon.
La mesure de la fréquence f d’émission d’un laser hélium-néon est réalisée à l’aide d’un filtre
optique sélectif dont le coefficient de transmission varie rapidement en fonction de la
différence f – f0, f0 étant la fréquence à laquelle le laser est susceptible d’émettre.
Après conditionnement électronique du signal issu de ce filtre, on dispose d’un signal
électrique xr(t) = K.[f(t) – f0] avec K une constante. Ce signal de mesure est utilisé au sein
d’un asservissement dont le schéma est donné figure suivante :
On a : K = 5.10-8 V/Hz
A0 = 90 MHz/V
est un signal perturbateur.
τ = 0,1 ms
I. Correction proportionnelle.
C(p) est un correcteur proportionnel : C(p) = C0.
a. Tracer le diagramme de Bode de la fonction de transfert en boucle ouverte TBO(p)
pour C0 = 1 et
.
b. Calculer C0 afin d’obtenir une pulsation de transition de 105 rad/s.
c. Calculer alors la réponse en boucle fermée à un échelon de tension à l’entrée.
d.
est maintenant un signal perturbateur contenant une composante continue ainsi
qu’une composante sinusoïdale de pulsation 500 rad/s :
Quel est l’effet sur la sortie d’un tel signal perturbateur ?
II. Correction intégrale.
C(p) est un correcteur intégral : C(p) = C0 / p.
pour C0 = 1 et
.
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b. Calculer C0 afin d’obtenir une marge de phase de 45°.
c. Donner l’expression de la fonction de transfert en boucle fermée et déterminer la
valeur du temps de réponse à 5% à partir des abaques (pour un 2nd ordre).
d.
prend la même valeur qu’au I.d. Quel est l’effet sur la sortie d’un tel signal
perturbateur ?
III. Correction proportionnelle et intégrale.
C(p) est un correcteur proportionnel et intégral : C(p) = C0 (1+τp)/ p.
pour C0 = 1 et
.
b. Calculer C0 afin d’obtenir une pulsation de transition de 105 rad/s.
c. Déterminer la valeur du temps de réponse à 5% lorsque l’entrée est un échelon de
tension.
d.
prend la même valeur qu’au I.d. Quel est l’effet sur la sortie d’un tel signal
perturbateur ?
IV. Bilan.
Discuter et comparer les performances des trois correcteurs envisagés précédemment.
10
Exercice 3.3 :
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Correcteur P.I.D.
On considère le système (non corrigé) de fonction de transfert en boucle ouverte :
Il est inséré dans une boucle d’asservissement à retour unitaire, comprenant un correcteur,
C(p), de type P.I.D. tel que :
4. Représenter TBO(jω) dans le plan de Black.
On donne :
ω (rad/s)
0,2 0,4 0,6 0,8
1
1,2 1,6
2
2,5
|TBO| dB
20
13
8,7 5,2
2
-1
-5,4 -10,5 -15
Arg(TBO) (degrés) -107 -123 -138 -150 -162 -172 -186 -200 -210
On pourra également utiliser l’abaque A5.1 donnée ci-après pour tracer le lieu de Black de
la FTBO.
5. Le correcteur P.I.D. est tel que K = 1 et on pose u = τi.ω.
Calculer |C(jω)|dB et Arg(C(jω)) pour u = 1 2 4 6 8 10 12 16 20 25.
6. Le P.I.D. est calculé par la méthode du pivot.
On choisi comme pivot le point ω = 0,2 rad/s, en déduire τi.
Dessiner la FTBO corrigée pour K = 1 :
Déterminer la valeur de K permettant d’obtenir un coefficient d’amortissement m = 0,7
pour le second ordre dominant équivalent.
7. Quelles sont les erreurs à l’échelon, à la rampe, et à la parabole unitaire ?
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Bibliographie.
"Cours d’automatique, tome 2 – Asservissement, régulation, commande analogique", Maurice
Rivoire, Jean-Louis Ferrier, Ed. Eyrolles.
"Electronique Tome 2 : Systèmes bouclés linéaires, de communication et de filtrage : Cours et
exercices", François Manneville, Jacques Esquieu, Ed. Dunod.
"Automatique: Commande des systèmes linéaires" , Philippe de Larminat, Ed. Hermes.
"Feedback Control of Dynamic Systems", Franklin G.F., Powell J.D., Naemi-Emani A.,
Addison-Wesley.
Beaucoup de liens de bonne qualité (dans tous les domaines) sur :
http://pagesperso-orange.fr/xcotton/electron/coursetdocs.htm
"Cours d’automatique 1ère année", Jean-Paul Bourguet, cours cycle ISMIN.
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Annexe 1 – Transformée de Laplace.
Transformée de Laplace monolatérale.
Linéarité.
Convolution.
Fonction de transfert – H(p).
Dérivation en temps.
Intégration.
Dérivation en p.
Translation en p.
Théorème du retard temporel.
Théorème de la valeur initiale.
Théorème de la valeur finale.
Transformées de Laplace usuelles.
Dirac :
Échelon :
Rampe :
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Transformées de Laplace inverses usuelles (f(t) causale) :
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Annexe 2 – Systèmes linéaires du second ordre.
Pulsation de résonance
Pulsation de coupure
Facteur de résonance
Facteur de qualité
Temps de montée
Temps de réponse à n% (m<0,7)
Temps de pic
Pseudo-période
Dépassement
Nombre d’oscillations complètes
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m
D%
MdB
m
0,1
1,68
30
3,16
6,31
73
0,99
1,54
1,56
14
0,1
0,15
1,74
20
3,18
6,36
62
0,98
1,53
1,56
10,5
0,15
0,2
1,81
14
3,21
6,41
53
0,96
1,51
1,57
8,1
0,2
0,25
1,88
11
3,24
6,49
44
0,94
1,48
1,59
6,3
0,25
0,3
1,97
10,1
3,29
6,59
37
0,91
1,45
1,61
4,8
0,3
0,35
2,06
7,9
3,35
6,71
31
0,87
1,42
1,63
3,6
0,35
0,4
2,16
7,7
3,43
6,86
25
0,82
1,37
1,67
2,7
0,4
0,45
2,28
5,4
3,52
7,04
21
0,77
1,33
1,72
1,9
0,45
0,5
2,42
5,3
3,63
7,26
16
0,71
1,27
1,8
1,2
0,5
0,55
2,58
5,3
3,76
7,52
12,6
0,63
1,21
1,93
0,7
0,55
0,6
2,77
5,2
3,93
7,85
9,5
0,53
1,15
2,17
0,3
0,6
0,65
3
5
4,13
8,27
6,8
0,39
1,08
2,74
0,1
0,65
0,7
3,29
3
4,4
8,8
4,6
0,14
1,01
7,14
0
0,7
0,75
3,66
3,1
4,75
9,5
2,84
-
0,94
-
-
0,75
0,8
4,16
3,4
5,24
10,5
1,52
-
0,87
-
-
0,8
0,85
4,91
3,7
5,96
11,93
0,63
-
0,81
-
-
0,85
0,9
6,17
4
7,21
14,41
0,15
-
0,75
-
-
0,9
0,95
9,09
4,1
10,06
20,12
0,01
-
0,69
-
-
0,95
18
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